Performance Evaluation of the FASTPIX Silicon Pixel Sensor Technology Demonstrator for High-Precision Tracking and Timing

Abstract

The advancement of particle physics through current and future collider facilities pushes the boundaries of technology in HEP instrumentation. Experiments at the energy and intensity frontier focus on high-precision measurements of Standard Model physics and searches for physics beyond the Standard Model. The physics programs and operational conditions at future colliders necessitate sophisticated improvements in all detector subsystems. Detectors in the inner layers of future experiments face stringent requirements, needing to detect single ionizing particles with small (< 25 𝜇m) pixels, achieving < 3 𝜇m spatial resolution, < 100 ps time resolution, minimal material budget, and extreme radiation tolerance. This dissertation focuses on advancing silicon vertex and tracking detectors for future high-energy physics collider detectors by demonstrating the performance of the monolithic silicon pixel sensor demonstrator FASTPIX, which was implemented in a modified 180 nm CMOS imaging process technology. The sensor features a small collection electrode design on a 25 𝜇m-thin sensitive detection layer with small pixels ranging from 8.66 𝜇m to 20 𝜇m pitch. A large parameter space of 32 minimatrices with 68 pixels each assesses the performance impact of manufacturing-process modifications and sensor-design variations previously optimized in simulations. The sensor design includes hexagonal pixels with capacitances of a few femto-farads and large signal-to-noise ratios, enabling high detection efficiency and precise timing. The detector performance is characterized in laboratory and test beam measurements with associate developments of hardware and software for the employed test systems. Calibration measurements conclude in a nominal threshold of 60 e – 160 e with ≤ 15 e front-end noise and < 10 Hz total noise rate across all matrices. Spatial resolutions down to 1 𝜇m for the smallest-pitch matrices, a timing precision of 100 ps – 150 ps for largest-pitch matrices as well as hit detection efficiencies > 99 % are observed in test-beam for samples with process modifications for improved charge collection. The FASTPIX results match or surpass most analog performance requirements for future pixel detectors. A larger pixel-matrix size and the integration of full front-end and readout functionality can be envisaged for future HEP applications, taking advantage of advancements in smaller feature-size CMOS processes.

Fortschritt im Feld der Teilchenphysik durch aktuelle und zukünftige Kollisions-Beschleuniger treibt die technologische Entwicklung in der Instrumentierung voran. Experimente bei höchsten Energien und Intensitäten konzentrieren sich auf hochpräzise Messungen der Standardmodell-Physik und der Suche nach Physik jenseits des Standardmodells. Die physikalischen Fragestellungen und Betriebsbedingungen zukünftiger Beschleuniger erfordern anspruchsvolle Verbesserungen in allen Detektor-Komponenten. Detektoren in den inneren Lagen zukünftiger Experimente unterliegen besonders anspruchsvollen Anforderungen. Sie müssen einzelne ionisierende Teilchen mit kleinen (< 25 𝜇m) Pixeln nachweisen, mit einer Ortsauflösung von < 3 𝜇m, einer Zeitauflösung von < 100 ps, bei einem minimalen Materialbudget und einer extremer Strahlenhärte. Diese Dissertation konzentriert sich auf die Entwicklung von Silizium-Vertex- und Spur-Detektoren für zukünftige Hochenergiephysik-Detektoren und demonstriert die Leistungsfähigkeit des monolithischen Silizium-Pixel-Sensor-Demonstrators FASTPIX, der in einem modifizierten 180 nm CMOS-Prozess für bildgebende Sensoren entwickelt wurde. Das Sensordesign verfügt über kleine Ladungssammlungselektroden auf einer 25 𝜇m dünnen Detektionsschicht mit kleinen Pixelgrößen von 8.66 𝜇m bis 20 𝜇m. Ein großer Parameterraum von 32 Mini-Matrizen mit jeweils 68 Pixeln zeigt Unterschiede in der Leistungsfähigkeit des Detektors je nach jeweiliger Modifikation des Herstellungsprozesses und Designvariation des Sensors. Das Sensordesign umfasst hexagonale Pixel mit Kapazitäten von wenigen Femtofarad und großen Signal-zu-Rausch-Verhältnissen, was die Nachweis-Effizienz und präzise Zeitmessung begünstigt. Die Leistungsfähigkeit der Detektoren wird in Labor- und Teststrahlmessungen charakterisiert, denen Entwicklungen von Hardware und Software für die verwendeten Testsysteme vorausgegangen sind. Kalibrierungsmessungen ergeben einen nominalen Detektionsschwellenwert von 60 e – 160 e bei ≤ 15 e Front-End-Rauschen und einer Frequenz von Rauschsignalen von < 10 Hz für die jeweilige Matrix. Die Ergebnisse zeigen Ortsauflösungen bis zu 1 𝜇m für die Matrizen der kleinsten Pixelgröße, eine Zeitpräzision von etwa 100 ps für die Matrizen der größten Pixelgröße sowie Detektionseffizienzen von > 99 % für die Prozessmodifikation mit verbesserter Ladungssammlung. Die FASTPIX-Ergebnisse erfüllen oder übertreffen die meisten Anforderungen für zukünftige Pixel-Detektoren. Eine größere Pixel-Matrix und die Integration vollständiger Front-End- und Auslese-Funktionalität für zukünftige Hoch-Energie-Physik-Anwendungen wird durch gegenwärtige Entwicklungen von CMOS-Technologieknoten mit kleineren Strukturgrößen ermöglicht.